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1、2.2.机械设计基本准则及一般步骤机械设计基本准则及一般步骤2-1 机器的组成机器的组成2-2 设计机器的一般程序设计机器的一般程序2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2-5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求2-6 机械零件的计算准则机械零件的计算准则2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法2-8 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤2-9 机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则2-10 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化2-11 机械常用材料及选用原则机械常用材料及选用原则机器的组
2、成机器的组成原动机部分原动机部分传动部分传动部分执行部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统润滑、显示、照明等辅助系统控制系统控制系统传感器传感器传感器设计机器的一般程序设计机器的一般程序提出任务提出任务需求分析需求分析确定任务要求确定任务要求机器功能分析机器功能分析功能原理设计功能原理设计评价评价评价评价选定方案选定方案设计任务书设计任务书原理图原理图明确构形要求明确构形要求总体结构设计总体结构设计评价评价确定总体方案确定总体方案零部件设计零部件设计编制技术文件编制技术文件总装图总装图部装图部装图零件图零件图说明书、明细表说明书、明细表计划阶段计划阶段方案设计方案设计技术设计技术设计文件编制文
3、件编制对机器的主要要求 使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求提高设计和制造经济指标的主要途径：提高设计和制造经济指标的主要途径：1）采用现代设计方法，优化设计，）采用现代设计方法，优化设计，保证可靠性。保证可靠性。2）提高）提高“标准化、系列化、通用化标准化、系列化、通用化”的程度。的程度。3）采用新技术、新工艺、新结构、）采用新技术、新工艺、新结构、新材料。新材料。4）合理组织设计和制造过程。）合理组织设计和制造过程。5）改善零件结构工艺性，使其用料）改善零件结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。少、易加工、易装配。提高使用经济指标的主要途径：提高使用经济指标的主要途径
4、：1）合理提高机械化、自动化水平，）合理提高机械化、自动化水平，提高机器的生产效率。提高机器的生产效率。2）选用高效传动系统，减少中间环）选用高效传动系统，减少中间环节，降低能源消耗。节，降低能源消耗。3）适当采用防护和润滑，延长机器）适当采用防护和润滑，延长机器的使用寿命。的使用寿命。4）采用可靠的密封，减少或消除渗）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。漏现象。劳动保护有两层含义：劳动保护有两层含义：1）使机器的操作者方便和安全。）使机器的操作者方便和安全。2）改善操作者及机器的环境。）改善操作者及机器的环境。机器的可靠度机器的可靠度R，指在规定的使用时间，指在规定的使用时间（寿命）内和预定
5、的环境条件下，机器（寿命）内和预定的环境条件下，机器能够正常工作的概率。能够正常工作的概率。机器失效的概率机器失效的概率F为：为：F=1-R机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器的的固有可靠性固有可靠性。考虑到用户的人为因素，已出厂的机器考虑到用户的人为因素，已出厂的机器正确地完成预定功能的概率，叫做机器正确地完成预定功能的概率，叫做机器的的使用可靠性使用可靠性。机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式（一）整体断裂（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂
6、，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。裂。齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式（二）过大的残余变形（二）过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式（三）零件的表面破坏（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接
7、触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式（四）破坏正常工作条件引起的失效（四）破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适
8、当的间隔才能正常工作。的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。腐蚀等因素引起。设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求q 避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求q 结构工艺性要求结构工艺性要求q 经济性要求经济性要求q 质量小的要求质量小的要求q 可靠性要求可靠性要求 机器是由各种各样的零部件组成的，要使
9、所设计的机器满足基机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。设计的结构应便于加工和装配。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。应降低零件发生故障的可能性（概率）。机械零件的设计准则机械零件的设计准则 设计零件时，首先应根据零件的设计零件时，首
10、先应根据零件的失效形式失效形式确定其确定其设计设计准则准则以及相应的设计计算方法。以及相应的设计计算方法。防止失效的判定条件是：防止失效的判定条件是：计算量计算量 fp或或 1.15ffp 共振产生的共振产生的工作失常工作失常滚动轴承、齿滚动轴承、齿轮、滑动轴承轮、滑动轴承可靠性准则可靠性准则R=N/N0 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构选择零件类型、结构 计算零件上的载荷计算零件上的载荷确定计算准则确定计算准则选择零件的材料选择零件的材料确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计校校 核核 计计 算算画出零件工作图画出零件工作图写出计算说明书写出
11、计算说明书机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 标准化的益处：标准化的益处：与设计有关的标准与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等国际标准国家标准行业标准企业标准等如：如：ISOGB JB、HBQB 国标分为：强制标准和推荐标准国标分为：强制标准和推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。专业化的大生产，以降低生产成本。强制性国家标准：代号为强制性国家标准：代号为GB(为标准序号为标准序号)(为批准年代为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就
12、是违法。强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个国标中的，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。的效果。标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。求等，制定出大家共同遵守的标准。机械零件常用材料及其选用机械零件常用材料及其选用机械零件常用材料及其选用机械零件常用材料及其选用一、常用
13、材料一、常用材料一、常用材料一、常用材料常用常用材料材料性能：强度很高、塑性能：强度很高、塑性较好、可承受很大载荷，性较好、可承受很大载荷，且可进行热处理以提高和且可进行热处理以提高和改善其机械性能改善其机械性能 ；品种：碳钢、合金钢、品种：碳钢、合金钢、铸钢、锻钢等铸钢、锻钢等性能：良好的铸造、切削性能：良好的铸造、切削加工、抗末、抗压和件镇性能，加工、抗末、抗压和件镇性能，且价格低廉；且价格低廉；品种：灰铸铁、球墨铸铁品种：灰铸铁、球墨铸铁及特殊性能铸铁等及特殊性能铸铁等性能：具有某些特殊性能，性能：具有某些特殊性能，如良好的减摩性、耐腐蚀性、导如良好的减摩性、耐腐蚀性、导电导热性等；电导
14、热性等；品种：铜合金、铝合金等品种：铜合金、铝合金等性能：根据材料品种的不同，性能：根据材料品种的不同，具有一些特殊的性能，如耐腐蚀、具有一些特殊的性能，如耐腐蚀、绝缘、耐磨等；绝缘、耐磨等；品种：工程塑料、橡胶、石品种：工程塑料、橡胶、石墨、木材、陶瓷、复合材料等；墨、木材、陶瓷、复合材料等；有色金属合金有色金属合金非金属材料非金属材料钢钢铸铁铸铁机械零件材料的选择原则机械零件材料的选择原则机械零件材料的选择原则机械零件材料的选择原则制造工艺要求制造工艺要求经济性要求经济性要求使用要求使用要求主要包括机械性能、主要包括机械性能、物理性能、化学性能和物理性能、化学性能和吸振性能等；选择时应吸振
15、性能等；选择时应根据使用的要求，满足根据使用的要求，满足主要、兼顾一般主要、兼顾一般应使零件的制应使零件的制造加工方法简便、造加工方法简便、易于实现，如铸造易于实现，如铸造件应选择热熔状态件应选择热熔状态时易于流动等性能时易于流动等性能在满足使用要求的在满足使用要求的前提下，尽量选用价格前提下，尽量选用价格低廉的材料，同时还应低廉的材料，同时还应考虑到使用和维护简便、考虑到使用和维护简便、费用低等问题费用低等问题由于由于设计方法学设计方法学(Design methodology)和和创造方法学创造方法学(Creation methodology)的迅的迅速发展，机械产品的设计工作发生了质的速发
16、展，机械产品的设计工作发生了质的变化，出现了一系列新兴学科分支，主要变化，出现了一系列新兴学科分支，主要有：有：设计方法学设计方法学优化设计优化设计(Optimal design)价值工程价值工程(Value engineering)计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)、现代机械设计方法现代机械设计方法可靠性设计可靠性设计(Reliability design)工业艺术造型设计工业艺术造型设计(Visual design)模块化设计模块化设计(Modular design)反求工程反求工程(Inverse engineering)有限元法有限元法(Finite element method)机械动态设计机械动态设计(Dynamic design)等等等。等。